Введение к работе
Актуальность темы. Информационно-измерительные системы стабилизации и наведения (ИИССиН) используются на подвижных объектах военного и гражданского назначения для получения информации об угловых параметрах линии визирования (ЛВ) оптических приборов в режимах стабилизации и наведения. Для стабилизации и наведения ЛВ используют кардановы подвесы, осуществляющие компенсацию качки основания и угловые повороты ЛВ.
Многоосные кардановы подвесы, обеспечивают углы поворота ЛВ в полной полусфере, но имеют большие габариты и марку и требуют для измерения параметров ориентации большое количество чувствительных элементов и сложные алгоритмы преобразования сигналов. Поэтому в настоящее время большинство ИИССиН имеют двухосный карданов подвес, содержащий наружную рамку, которая обеспечивает полный разворот вокруг своей оси вращения, и внутреннюю рамку, которая осуществляет поворот относительно наружной на углы, не превышающие 90 град.
При решении задачи ориентации ЛВ углы поворота двухосного карданова подвеса не обеспечивают обзор в полной полусфере. Ограничение применения двухосного карданова подвеса при больших углах наведения связано с тем, что скорость по оси наружной рамки подвеса, а также ускорения по обеим осям при углах наведения внутренней рамки, близких к 90 град., стремятся к бесконечности. Таким образом, при вертикальном расположении наружной рамки подвеса ИИССиН имеет в верхней полусфере область больших погрешностей, представляющую собой конус с центром, перпендикулярным основанию.
Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации как «McDonnel Douglass», «Rockwell International Corp.», (США), «SFIM» (Франция), «Carl Zeiss» (Германия), ЦКБ «АРСЕНАЛ», (Украина), Белорусское оптико-механическое объединения (БелОМО), Уральский оптико-механический завод (УОМЗ), ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева», МВТУ им. Н.Э. Баумана (Россия) и др.
Обеспечить наведение ЛВ по оси высоты на углы более 90 град, с высокой точностью можно введением в двухосный карданов подвес ИИССиН дополнительной рамки, удерживающей наружную рамку в наклонном положении. В качестве чувствительных элементов двухосной ИИССиН используют датчики угловой скорости или трехстепенной гироскоп. Методики анализа кинематики, динамики и алгоритмы преобразования угловых координат двухосных ИИССиН с наклонным расположением наружной рамки карданова подвеса, имеющие целью обеспечить наведение ЛВ по оси высоты более 90 град, с высокой точностью, на данный момент отсутствуют.
Таким образом, задача разработки схем построения, математического описания, алгоритма преобразования информации и способов повышения точности стабилизации ИИССиН с наклонным кардановым подвесом для определения угловых параметров ЛВ является актуальной.
Объектом исследования диссертационной работы является ИИССиН с двухосным наклонным кардановым подвесом, дополнительной рамкой, исполнительными двигателями и гироскопическими датчиками, которые обеспечивают ориентацию ЛВ в верхней полусфере.
Предметом исследования являются математические модели ИИССиН с двухосным наклонным кардановым подвесом и алгоритм преобразования угловых координат ориентации ЛВ на подвижных объектах.
Целью работы является повышение точности двухосной ИИССиН при углах наведения ЛВ в верхней полусфере, за счет введения наклонного карданова подвеса, рамки которого управляются исполнительными двигателями по сигналам гироскопических датчиков.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Разработана классификация ИИССиН по количеству и расположению осей наведения и предложена схема ИИССиН с наклонным кардановым подвесом.
-
Определены аналитические зависимости между углами и угловыми скоростями наведения ЛВ и поворота рамок ИИССиН с наклонным кардановым подвесом.
-
Построена трехмерная модель макетного образца ИИССиН и программно определены массовые и инерционные характеристики основных элементов карданова подвеса и дополнительной рамки.
-
Разработана математическая модель ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, учитывающая кинематику и динамику оптического элемента и проведено моделирование возмущающих моментов по осям подвеса, и погрешности стабилизации при углах наведения, близких к 90 град.
-
Разработан алгоритм преобразования информации, позволяющий вычислять углы поворота рамок ИИССиН по заданным углам наведения ЛВ.
-
Проведено экспериментальное исследование погрешностей ИИССиН с наклонным кардановым подвесом в режиме стабилизации при углах наведения по высоте более 90.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением методов аналитической геометрии, теории матриц, сферической тригонометрии, методов математического моделирования на ЭВМ, методов физического моделирования в лабораторных условиях.
Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданы трудами отечественных ученых и специалистов: Ишлинским А.Ю., Пельпором Д.С., Ривкиным С.С., Неусыпиным А.К., Родионовым В.И. и др.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получены аналитические выражения для двухосной ИИССиН с наклонньш кардановым подвесом, определяющие взаимную связь между
углами поворота рамок подвеса и углами наведения ЛВ по азимуту и высоте, отличающиеся от известных тем, что позволяют получать информацию при углах наведения ЛВ по высоте, близких к 90 град.
-
Разработана математическая модель ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, учитывающая особенности геометрии, кинематики и динамики ИИССиН, позволяющая определять возмущающие моменты по осям стабилизации и погрешности стабилизации при наведении ЛВ в верхней полусфере.
-
Разработан алгоритм преобразования углов поворота рамок карданова подвеса ИИССиН по заданным углам наведения ЛВ и преобразователь координат (ПК), позволяющий реализовать предложенный алгоритм.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации математическое описаіше и алгоритм преобразования информации являются базой для проектирования и модернизации двухосных ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, что позволяет повысить эффективность их работы, сократить время и затраты на проектирование.
Положения, выносимые на защиту.
-
Геометрические зависимости между углами наведения ЛВ и поворота рамок ИИССиН с наклонным кардановым подвесом.
-
Кинематические выражения между угловыми скоростями наведения ЛВ и поворота рамок ИИССиН с наклонным кардановым подвесом.
-
Математическая модель динамики двухосной ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, учитывающая движение оптического элемента.
-
Алгоритм преобразования углов поворота рамок наклонного карданова подвеса.
Реализация и внедрения результатов. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ЦКБА». Научные положения и результаты исследований диссертации реализованы в учебных дисциплинах «Принципы построения приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации» и «Моделирование систем ориентации, стабилизации и навигации» при подготовке студентов специальности 160402.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на полезную модель, 7 публикаций в материалах Всероссийских и Международных конференций.
Достоверность теоретических положений и результатов исследования подтверждены испытаниями макетного образца двухосной ИИССиН с наклонным кардановым подвесом.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 83 наименований, выполнена общим объемом 126 стр., включая 51 ил., 12 табл., 3 приложения, представленные на 19 стр.
